鐘德輝, 曾建華, 李 明
(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)
陀螺儀是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的核心元件之一,是艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈和航天飛行器慣性控制系統(tǒng)的重要組成部分,用來(lái)測(cè)量基座的轉(zhuǎn)角或角速度,其性能好壞直接影響慣性導(dǎo)航的精度[1]。在直升機(jī)研制、試驗(yàn)過(guò)程中,運(yùn)用到大量的精密角速率類傳感器,如直升機(jī)試飛試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)飛機(jī)姿態(tài)的三軸速率陀螺組件等。三軸速率陀螺是直升機(jī)飛控系統(tǒng)的重要組成部分,它能精確地測(cè)量直升機(jī)相對(duì)于慣性空間的方位、俯仰和橫滾3個(gè)角速度,并輸出相應(yīng)的電信號(hào)[2-3],傳輸給直升機(jī)作為飛行控制的重要參數(shù)[4]。因此,在速率陀螺裝機(jī)使用前,對(duì)其速率精度進(jìn)行測(cè)試校準(zhǔn)具有十分重要的意義。
針對(duì)傳統(tǒng)的航空機(jī)載陀螺儀測(cè)試系統(tǒng)采用分立儀器搭建,具有成本高、自動(dòng)化程度低、擴(kuò)展性差等特點(diǎn)[5],國(guó)內(nèi)速率陀螺的測(cè)試一般采用常溫單軸速率臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,這種測(cè)試方式需要通過(guò)多次裝拆測(cè)試夾具,效率低下[6]。
針對(duì)某型無(wú)人直升機(jī)研制、試驗(yàn)過(guò)程中使用的TSZ-12AA型三軸速率陀螺,設(shè)計(jì)了專用校準(zhǔn)工裝,開(kāi)發(fā)了一套專門的校準(zhǔn)系統(tǒng)軟件,極大地提升了校準(zhǔn)工作效率,對(duì)系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度進(jìn)行了分析評(píng)定,驗(yàn)證了校準(zhǔn)系統(tǒng)和方法的有效性,滿足了機(jī)載三軸速率陀螺的校準(zhǔn)需求,有效地保證了該型無(wú)人直升機(jī)試飛試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
校準(zhǔn)系統(tǒng)主要由測(cè)控計(jì)算機(jī)、高精度單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)、直流穩(wěn)壓源、數(shù)字多用表、專用夾具等組成。
該校準(zhǔn)系統(tǒng)依據(jù)GJB1692-93《試飛測(cè)試儀器校準(zhǔn)要求》,采用高精度單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)作為角速率標(biāo)準(zhǔn)裝置,模擬飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)角速度作為速率陀螺的輸入,用數(shù)字多用表測(cè)量并采集不同速率狀態(tài)下的輸出,從而獲得速率陀螺的輸入-輸出特性[7],實(shí)現(xiàn)對(duì)速率陀螺的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖
測(cè)控計(jì)算機(jī)是整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心,它建立了與速率轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng)和數(shù)字多用表的通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)速率轉(zhuǎn)臺(tái)的控制,實(shí)時(shí)采集校準(zhǔn)輸出電壓,并對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。
速率轉(zhuǎn)臺(tái)為被校速率陀螺提供裝夾位置和標(biāo)準(zhǔn)輸入角速率,測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)通信協(xié)議對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行控制,進(jìn)而完成速率陀螺的校準(zhǔn)。
某型無(wú)人直升機(jī)機(jī)載速率陀螺是一個(gè)包含3個(gè)單軸速率陀螺的慣性組件,其工作速率范圍為±(5~200)°/s,速率精度為0.2%。為滿足校準(zhǔn)需求,采用型號(hào)為L(zhǎng)X-10G的單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái),其角速率范圍為±(5~1450)°/s),速率精度為0.01%,滿足量值傳遞要求。
為保證被校陀螺工作的可靠性和校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)選用了較高精度的直流穩(wěn)壓電源,其電壓精度為±(0.5%+5字),萬(wàn)用表采用了6位半數(shù)字萬(wàn)用表,其最大允許誤差(10 V)為±(0.0035L%+0.0005D%) V。
專用夾具用于將被校三軸速率陀螺安裝在速率轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 專用夾具結(jié)構(gòu)示意圖
將專用夾具通過(guò)4個(gè)緊固螺釘固定安裝在速率轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面中心位置,將被校機(jī)載三軸速率陀螺通過(guò)緊固螺釘固定在該夾具的裝夾臺(tái)面上,裝夾臺(tái)具有沿水平方向360°旋轉(zhuǎn)、沿俯仰方向±90°旋轉(zhuǎn)的功能,校準(zhǔn)時(shí),只需一次裝夾被校機(jī)載陀螺,通過(guò)調(diào)整裝夾臺(tái)的位置,即可實(shí)現(xiàn)被校三軸速率陀螺3個(gè)輸出軸方向(航向、傾斜、俯仰)的快速轉(zhuǎn)換。專用夾具保證了被校三軸速率陀螺的裝夾可靠、定位精確,實(shí)現(xiàn)了快速裝夾和換向。
系統(tǒng)采用型號(hào)為33401A的數(shù)字多用表作為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的采集裝置,為提高采集效率,利用RS232進(jìn)行串口通信,RS232采取不平衡傳輸方式,即所謂單端通信,收、發(fā)端的數(shù)據(jù)信號(hào)是相對(duì)于信號(hào)的。典型的RS232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)。RS232是為單對(duì)點(diǎn)通信而設(shè)計(jì)的,其驅(qū)動(dòng)器負(fù)載為3~7 kΩ。所以RS232適合本地設(shè)備之間的通信[8]。
將數(shù)字多用表設(shè)置于復(fù)位狀態(tài),改變數(shù)字多用表設(shè)置,建立觸發(fā)條件,測(cè)量初始化,從輸出緩沖區(qū)或內(nèi)存器中獲取數(shù)據(jù),將測(cè)量結(jié)果讀入總線控制器,進(jìn)入工作狀態(tài),打開(kāi)串口,接收數(shù)據(jù)。采用五線的DTR協(xié)議連接方式,可有效地避免數(shù)據(jù)丟失,確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。
為探究不同擬合方法對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響,采用實(shí)驗(yàn)室對(duì)型號(hào)為TSZ-12AA、編號(hào)為11002(傾斜)、有效量程為(-100~100)°/s、幅值線性度為0.20%的速率陀螺的一組校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,校準(zhǔn)點(diǎn)參照GJB1692-93《試飛測(cè)試儀器校準(zhǔn)要求》,在規(guī)定的校準(zhǔn)范圍內(nèi)均勻等間隔地選取11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)[8],校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表1所示。
分別采用端點(diǎn)擬合、平均法擬合和最小二乘法擬合3種擬合方法對(duì)表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所獲得的擬合結(jié)果如表2所示。
表1 速率陀螺校準(zhǔn)數(shù)據(jù)
表2 擬合結(jié)果
表2數(shù)據(jù)表明,采用最小二乘法擬合直線非線性誤差最小。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù),它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配[9],能夠最真實(shí)地反映速率陀螺性能指標(biāo),因此為了確保校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用最小二乘法擬合直線方程。
C語(yǔ)言是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)使用最多的語(yǔ)言[10],系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理軟件采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì),軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。軟件可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)傳感器信息的輸入、自定義輸入校準(zhǔn)點(diǎn)、利用R232串口通信自動(dòng)采集校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、比較和分析,得到一系列采樣點(diǎn)的測(cè)量誤差以及擬合直線,并自動(dòng)生成和保存原始記錄。
圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
速率陀螺的參比直線采用最小二乘線性回歸的直線,線性回歸方程[11]為
Yi=Y0+KRi
(1)
式中,Yi為速率陀螺在i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)處輸出量的線性回歸值(V);Y0為截距(V);K為速率陀螺的靈敏度(V/(°/s));Ri為速率陀螺第i個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的角位移量(°/s)。
靈敏度K和Y0的計(jì)算公式[11]如下。
(2)
(3)
(4)
則第i個(gè)受檢點(diǎn)的線性度為
(5)
線性度為
(6)
式中,YFS為輸出信號(hào)量程(V),YFS=YM-YN。YM為速率陀螺為上限值時(shí)3組正、反行程所測(cè)得的實(shí)際輸出的平均值(V),YN為速率陀螺為下限值時(shí)3組正、反行程所測(cè)得的實(shí)際輸出的平均值(V)。
根據(jù)線性度公式
(7)
可得:
根據(jù)表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
取YFS=10.1369 V;Ri=100°/s
(1) 角位移傳感器的靈敏系數(shù)K和截距Y0引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(K)和u(Y0)。
采用最小二乘法計(jì)算出的理論直線方程
(8)
因Yi獨(dú)立,則
(9)
(10)
其中:
根據(jù)表1校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可得:
Y0=-0.001116 V
K=0.050698
(2) 標(biāo)準(zhǔn)角速率引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(Ri)。
單軸速率轉(zhuǎn)臺(tái)速率精度為±1×10-4,服從均勻分布,則:
(3) 電壓輸出值引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(yi)。
① 數(shù)字表引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(yi)。
校準(zhǔn)使用的數(shù)字萬(wàn)用表10 V檔位的直流測(cè)量示值誤差為±(0.0035L%+0.0005D%) V,滿量程輸出電壓為5 V,最大允許誤差為±(0.0035×5+0.0005×10)%=±0.000225 V,服從均勻分布,則:
② 重復(fù)性引入的不確定度分量u2(yi)。
選取100°/s校準(zhǔn)點(diǎn),正行程、反行程各測(cè)量3次,采用極差法計(jì)算重復(fù)性,數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。
表3 100°/s校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù) 單位:V
u2(yi)=|5.0693-5.0655|/2.53=0.0015 V
經(jīng)分析,不確定度分量及影響系數(shù)見(jiàn)表4。
表4 不確定度分量及影響系數(shù)
由以上內(nèi)容可得:
u2(li)=0.09862×0.001512+(-0.0986)2×0.000842+
(-9.8649)2×0.0000132+
(-0.005)2×0.000057742
u(li)=0.021%
取包含因子k=2[12],則有:
U=k·u(li)=2×0.021%≈0.05%
由以上數(shù)據(jù)可知,線性度校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為0.05%,小于被校速率陀螺線性度指標(biāo)(0.2%)的1/3,表明該校準(zhǔn)系統(tǒng)可靠,校準(zhǔn)方法合理可行。
提出了一種三軸速率陀螺校準(zhǔn)方法,設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)系統(tǒng)及專用校準(zhǔn)夾具,開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集及處理軟件,采用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)了三軸速率陀螺的快速、準(zhǔn)確校準(zhǔn);校準(zhǔn)結(jié)果的不確定分析表明,校準(zhǔn)方法合理可行,為直升機(jī)科研試驗(yàn)提供了可靠的技術(shù)保證。